автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Исследование вихревых аппаратов для интенсификации процесса дегазации малорастворимых газов из насыщенных хемосорбентов

0 — •} а'Ц ■

' 1 V*

КОМИТЕТ ПО ВЫШЕЙ ШКОЛЕ МИНИСТЕРСТВА НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Уфимский нефтяной институт

На правах рукопиои

МАЛЫШЕВ АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ИНТЕНСИШШЩИ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ МАЛОРАСТВОРИМЫХ ГАЗОВ ИЗ НАСЫЩЕННЫХ ХЕМОСОРБЕНТОВ

06.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих ' и химических производств

ДИССЕРТАЦ И Я

на соискание ученой огепени кандидата технических наук в форме научного доклада

Уфа 1992

Работа выполнена на ПО "Дермьнефгьоргсинтеэ'

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Абызгильдин Ю.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кретинин М.В.,

кандидат технических наук, о.н.с. Филимонов Б.А.

Ведущее предприятие: Ново-Уфимокий нефгеперврайагываодий завод

Заира диссертации ло научному докладу состоится п.Ы " ЛкС^М 1993г. часов на заседании

специализированного Совета Д 063.09.03 при Уфимском нефтяном институте по адресу; 450062, г.Уфа, ул.Космонавтов, I.

С работой можно ознакомиться в техническом архиве Уфимского нефтяного института. 1

Доклад разослав « 2! ,

/ ' . -

Ученый секретарь специализированного < совета, доктор технических наук I П.Л.Одьков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование вихревых устройств в газовых средах позволяет снизить металле- и энергоемкость аппаратов химических и нефтехимических процессов. С точки зрения надежности работы вихревые устройства просты в изготовлении и эксплуатации, не имеют двилущихся частей, характеризуются малыми габаритами. При вихревом течении возникают генерируемые вихрями колебания (пульсации) потока, что способствует развитию поверхности контакта фаз. Однако до последнего времени эти аппараты не находили применения для разделения газожидкдетннх сред.

Процесс дегазации жидкости производится с помощью технических агрегатов, работа которых основывается на явлениях термического или адиабатического расширения, вануумирования> ультразвуковой кавитации. Оборудование, используемое для этих процессов, недостаточно эффективно, малопроизводительно, требует больших расходов энергии, часто составляющих основную долю в суммарном потреблении энергии в процессе. Разработка вихревых аппаратов является одним из путей увеличения эффективности дегазации жидких хемосорбентов.

В связи с этим попытка использования модифицированных вихревых аппаратов для разделения в газожидкостных средах является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка принципов конструирования различных типов закручивающих вихревых аппаратов на базе колухотрубчатых теплообменников и цилиьщрических каналов с винтовым закручивавшим устройством (ВЗУ) для разделения газожидкостных сред.

Проверка эффективности работы аппаратов в промышленных процессах на примере выделения малорастворимых газов из жидких хемосорбентов.

Научная новизна. На. основе рассмотрения отличия физической модели двухфазной системы жадность - газ от газовой модифицированы конструкции газовых вихревых устройств применительно к двухфазной системе с высоким содержанием жидкости (98-99,5%). Подучены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать оптимальные конструкции аппаратов, обеспечивающие вцаеление примесей малорастворимых газов из хемосорОента. Для глубокой очистки газонасыщенных жидкостей реализован принцип конструкции, в которой завихрение потока происходит одновременно в сужающих и расширяющих элементах, причем в аппарате выполнена противопотоком осевая подача пара. Предложенная принципиально новая конструкция, реализующая соосное направление завеихре-ния потоков под различными углами, позволила создать высокопроизводительные аппараты.

Практическая ценность и реализация в промышленности. Разработаны новые конструкции вихревых закручивающих устройств, созданы на уровне изобретений новые теплообменные аппараты, которые рекомендованы к внедрению в промышленность на следующих предприятиях:

- Северодонецком АО "Азот" на установке крупнотоннажного производства аммиака в системе абсорбер-десорбер, где вихревой аппарат позволяет сократить циркуляционный цикл хемосорбента с 1200 до

1040 м3;

- Пермском АП "Нефтехимик" на установке синтез-газа и технического водорода с сокращением циркуляционного цикла хемосорбента с 460 до 340 м3;

- ПО "Тольяттиазот" на установке крупнотоннажного производства аммиака в системе абсорбер-десорбер, где вихревой аппарат позволит отрегенерировать 300 м3 хемосорбента.

Сокращены выбросы в атмосферу на следующих предприятиях:

- ПО "Метанол", г.Губаха.на установке крупнотоннажного производства метанола, с 2700 до 2140 нм3/ч газа;

- ПО "Тольяттиазот" на установке крупнотоннажного производства аммиака, с 8900 до 640 ны3/ч газа; 4

- ПО "Пермнефтеоргсинтез" на крупнотоннажном производстве аммиака, с 1400 до 360 нм3/ч газа.

Экономический эффект при внедрении составил 183,2 тыс.рублей в год на ПО "Пермнефтеоргсинтез".

Опыт эксплуатации вихревых закручивающих устройств подтвердил их высокую надежность, эффективность, низкую энерго- и металлоемкость при широком интервале нагрузок, температур, давлений.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

- совместном.заседании кафедр "Химическая технология" и "Процессы и аппараты химической технологии" Московского института химического машиностроения II.10.89;

- научном семинаре лаборатории № 33 Государственного научно-исследовательского и проектного института азотной промышленности и продуктов органического синтеза (ПШ1), Москва, 1989;

- технических советах: ПО "Азот", Северодонецк, 1987; ПО •Тольяттиазот", 1985, 1987; ПО "Метанол", ГУбаха, 1986;. ПО "Пермнефтеоргсинтез", I989-I99I; АЛ "Нефтехимик", Перль, 1990;

- совместном заседании кафедр "Технология неорганических веществ" и "Процессы и аппараты химической технологии" Пермского политехнического института, 1990;

- 44-ой научно-технической конференции Московского института химического машиностроения, 1991;

- Всесоюзном совещании "Опыт разработки и применения регулярных насадочных устройств в гдассообменных технологических процессах", Пермь, 1990

Публикации. По теме диссертации получено 4 авторских свидетельства на изобретения, опубликовано 2 тезиса докладов.

Автор защищает;

1. Новые конструкции трех типов вихревых аппаратов для газожидкостных систем.

2. Результаты экспериментального исследования опытно-промышленных образцов ВЗУ в процессах дегазации хемосорбентов.

3. Результаты внедрения ВЗУ оптимальной конструкции в промышленность .

Диссертационная работа проведена при непосредственном участии завлабораторией к.т.н. Хафизова Ф.Ш.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел I. Разработка вихревых аппаратов для ввделения примесей малорастворимых газов из газонасыщенных растворов.

В основу разработки вихревых аппаратов для газонасыщенных растворов были положены известные газовые и пародисперсные вихревые вертикальные кожухотрубчатые теплообменники, конструкция которых изменялась с учетом рассмотрения особенностей физической модели . жидкость-газ. Основным отличием газосрдержащей системы от газовой в вихревых аппаратах является на порядок более низкая предельная скорость протекания среды (17-25 м/с) по сравнению со скоростями газов (330 м/с). Дисковые энергоразделители, используемые в газовых вихревых камерах с тангенциальным вводом газа, имеют большое сопротивлениепотовдг рабочей среды и не могут быть использованы для газожидкостных сред введу малой пропускной способности аппарата. На основании этого для возрастания пропускной способности среды конструкция дискового энергораэделителя была заменена путем увеличения на порядок размера каналов диафрагмы.Испытание опытного образца аппарата проводилось, в промышленных условиях на агрегате

синтеза аммиака Для регенераций водного раствора моноэтаноламина, насыщенного СО2 и Н£,в узле очистки азотоводородной смеси. Исследование показало другое существенное отличие газожвдкостной системы от газовой: в вихревом аппарате среда последовательно распределя-' лась на слои жидкоеть-пузырьки-пена-газ. В связи с этим для интенсификации процесса десорбции газов конструкция аппарата била дополнительно существенно модифицирована. Общий взд вихревого аппарата, эффективно работавшего в газожидкостной среде»приведен на рис.1,1а. В основу конструкции его положен газовый вихревой вертикальный коду хотрубный теплообменник, содержащий кожух I с размещенной в нем трубой 2, закрепленной в т^бной доске 3 и снабженной дисковым энергоразделителем 4, имеющим спиральные перегородки 5 с прорезями, образующими винтовые каналы б, камеры холодного и горячего потоков, в последнюю из которых введен нижний конец труба. С целью дальнейшего увеличения пропускной способности среды, уменьшения пенообра-зования изменялась конструкция энергоразделителя и нижней части кожуха. В перегородках 5 энергоразделителя (см.рис.16) прорези 7 были сделаны в виде вертикальных рядов круглых отверстий, которые исключали пенообраэование и увеличивали пропускную способность среды.• Отверстия располагались в части каналов, соответствующей области зародышеобразования пузырьков. Камера горячего потока 8 выполнялась в виде двух усеченных конусов 9 и 10, сопряженных с большими основаниями, при этом верхний конус имел двойную конусность. Верхний конец трубы 2 расширялся и служил камерой II холодного потока, а нижний конец трубы 2 на торце снабжался дисковым каплеотбойниксм 12.

Аппарат работает следующим образом: раствор моноэтаноламина (МЭА), подлежащий дегазации от С0£ и частично растворенного в нем Н^, под давлением 2,5 МПа с температурой 77 °С подавался через пат-

Рис. I. Вихревой аппарат для газожидкостных сред

10

аппарат сред

Рис. I б

ЭнергораэДелитель

рубок 13 в кожух, где начиналась дегазация жидкости,и далее по винтовым каналам и отверстиям в перегородках поступал в диффузор-верхний усеченный конус.

Под действием центробежных архимедовых сил при снижении давления жидкости вследствие расширения потока до 0,8 МПа в энергоразделителе и диффузоре происходило распределениее раствора на зоны:жид-кость-пузырыш-псна-гаэ. Содержание водорода в растворе после вихревой трубы ниже соответствующего равновесного значения, что указывает на наличие процесса адиабатного кипения в энергоразделителе. Выделяющийся газ освободится через осеву» трубку 14. Дополнительный поток жидкости поступает по отверстиям 7, создавая колебательные движения основное потоку в каналах б, что приводит к резкому

#

увеличению объема газа, при этом температура газа понижается до 52 °С, а температура отработанной жидкости, отводимой через цилиндрический канал .15, повышается до 79 45.

В диффузоре раствор,, перемешиваясь, теряет скорость движения, кинетическая энергия, переходит В тепловую, которая затрачивается на разрыв химической связи раствора МЭА и СО^. При этом в жидкости дополнительно образуются пузырьки газа, которые расширяются и лопаются, охлаздая газ до 7 °С. Ударяясь о каплеотбойник, газ движется вверх через камеру холодного потока и выводит«! через патрубок. Поток жидкости перемещается в нижний конус и через другой патрубок выводится из теплообменника с более низким содержанием СО г,.

Теория вихревого течения реальной многокомпонентной газожвд-костной среды в настоящее время не позволяет подучить однозначных рекомендаций для интенсификации работы аппарата. Поэтому было предпринято экспериментальное исследование влияния различных конструктивных параметров ВЗУ на основные характеристики процесса дегазации. -

■го

Предварительные расчеты аппаратов основывались на расчетах вихревых труб для газов и труб, работающих на двухфазных потоках, в которых при увеличении концентрации жидкости от 0,1 до 1,5 % резко снижалась разность температур охлаждения Тх и температур нагревания Тг, поскольку для ВЗУ, работающих на двухфазных потоках с более высоким содержанием жидкости, данные отсутствуют.

Анализ имеющихся в литературе данных по газовым ВЗУ показал, что основными геометрическими параметрами, влияющими на производительность ВЗУ, могут являться:

- конструкция энергоразделителя:

взаимное расположение каналов ввода потока; диаметр сквозных отверстий каналов;

- геометрия диффузоров: угол раскрытия и длина;

- внутренний диаметр газоотводной трубки.

Ниже представлены некоторые экспериментальные зависимости, связывающие конструктивные параметры аппарата с характеристиками дегазации хемосорбента (МЭА).

Величина диаметра энергоразделителя определяет скорость жидкости, движущейся в нем: чем выше выбранная скорость, тем меньше, требуемый диаметр энергоразделителя. Для заданной производительности аппарата диаметр энергоразделителя может быть рассчитан на основании уравнения расхода.___.

V - //К • - 1/К • V/ •

из которого следует: гг„£> ■г АИ5

Я=Ш7 »

где; V _ производительность (объемный расход жидкости, м3/с); ^ - средняя скорость жидкости в каналах, м/с; б - площадь поперечного сечения энергоразделителя, м^; . Ь _ диаметр энергоразделителя, мм

К - коэффициент соотношения площадей энергоразделителей и каналов S энер. = К ' S кан. ще К =3 - 12 (определяется экспериментально)

Коэффициент соотношения площадей энергорааделителя и каналов определяет оптимальные значения геометрии энергоразделителя и минимальные затраты энергии для эффективной дегазации хемосорбента.

Из таблицы I видно, что с уменьшением диаметра энергораэдели( теля увеличивается отношение шага винтовых каналов ( S ) к его глубине ( А ) (рис. 2) и возрастает десорбция Н2 из МЭА.

Таблица I

Влияние геометрических параметров энергоразделения на степень дегазации хемосорбента

I I I . I 11

CJ), мм | S, mm I А, мм I {Степен| дегаза-

200 10 25 0,4 75

150 10 7 1,42 36

120 8 5 1,6 30

80 , 6 3 2,0 15

Рис. 2. Геометрические параметры энергоразделителя

В одной из конструкций ВЗУ цилиндрические отверстия в энергоразделителе выполнялись в воде сопел Лаваля, с винтовой нарезкой внутренней поверхности. Это обеспечивало повышение степени дегазации жидкости на 15 %.

Из табл. 2 можно видеть, что при увеличении длины вихревой трубы от 1 до ЗД количество десорбированной примеси малорастворимого горючего газа из ЫЭА проходит через максимум при. Наличие максимума можно объяснить тем, что при длине аффективной зоны (/ёГЗД) дегазации описание пути движения газожедкостного потока приближается к описанию кривой второго порядка брахистохроны (спутницы циклоиды, описывающей скорейший сцуск материальной точки сверху вниз). Уменьшение и увеличение длины зоны дегазации снижает десорбцию газа и увеличивает унос жидкости.

Таблица 2

Количество и концентрация вццеляемого водорода при дегазации МЭА в зависимости от длины камеры ВЗУ

Длина камеры вихревой трубы, ( в калибрах х) Количество газа (Но) невыходе, и /и раствора Концентрация Н? на выходе газа, % об.

ВД 0,41 19,4

ЗД 0,78 46,4

зд 1,34 59,2

4Д 0,88 50,1

ЗД 0,44 22,4

х)

- диаметр энергораэделителя

При (. потери кинетической энергии свободного вихря в результате трения невелики и нахозщение свободного вихря в этой зоне недостаточно для перестройки его в вынужденный. При € > ЗД под

действием сил трения снижается центробежная сила и заахает интенсивность врадания потока. Известно, что изменение интенсивности закрученного потока жидкости характеризуется касательными напряжениями. Так,при числе Рейнольдса Не = 100000 на расстоянии & = 1,ЁД, они составляют 75 % от радиуса окружности камеры, а на расстоянии @ = 9Д уже. 15 %. Кроме того» увеличение & приводит, в результате трения о стенки трубы и за счет частичного испарения газожидкостного потока, к создании пенных зон. Состояние равновесия определяется законами распределения компонента между жидкой и газовой (паровой) фазами, по зонам от периферии к оси трубы.

Угол раскрытия верхнего конуса диффузора варьировали от 2^цо 56°, при этом, чем выше концентрация растворенного газа в жидкости, тем должен быть больше угол раскрытия. Однако, увеличение угла выше 52° может привести в отрыву жидкой фазы от стенки и резкой турбу-лизации всего потока» т.е. возрастает пенообразование и унос жидкой фазы десорбированным газом. Минимальный угол раскрытия для исследованных концентраций С0£ (100-110 г/л> составлял 27°.

Из табл. 3 можно видеть, что с уменьшением диаметра газоотводной трубы эффективность степени дегазации понижается, однако концентрация выделившейся примеси Н^ существенно возрастает, а температура выделившегося газа снижается на порядок (рис. 3, За).

Таблица 3

Влияние диаметра газоотводной трубы ВЗУ на работу аппарата ..

Диаметр энерго- Диаметр вну'трен- Эффектов- Концен- Температура разделителя,мм нейгазоотвод- ность сте- трация выходяшего ной трубы, км.-', пени де- Н2, % газа, иС ___газации.% _

70 15 - 100 28.4 73

70 10 84 . 31,0 68

70 6 73 52,0 29

70 2 65 64,0 7

40-

зо-

го-

ю

соя.%

<6 и 10

70

60-■

*

14

Нг,%

О Фбмм а ф/Ом*

>..... I ■

<5 2.0

Рбык

Зависимость концентрации диоксида Зависимость концентрации водо-

углерода в выделившемся газе от рода в выделившемся газе от

перепада давления в вихревой перепада давления в вихревой

трубе и диаметра диафрагмы трубе и диаметра диафрагмы

Рис. 3

ко

45 3.0

2,0

3.0

2,5 Щ

60 70 ВО 90 ГС

Зависимость скорости вцаеления водорода и диоксида углерода от температуры раствора

в.нУч

о Н о СОг

■гг /4

/6

Зависимость скорости выделения водорода и диоксина углерода от давления в рабочей камере вихревого устройства

Рис. За

Полученные эмотрические зависимости степени дегазации (рис. 3) позволяет рассчитать оптимальные констдоктивные параметры ВЗУ для заданной производительности, степени ввделения примесей малораство-римьк газов из хемосорбента и требуемых температур.

Зависимость кривизны поверхности кояуха вихревой камеры,описываемая брахистохроной, необходимая для проектирования аппарата, была подучена эмпирически:

У а Й(1—С0$ еС)- {#А+ Ь/00$ ЫгсЩЦ р>)(ь\П ¿)],

где:у - кривизна поверхности,

й - радиус верхней части вихревой камеры, мм; сС - угол ввода жидкости в вихревую камеру, уб - корневой угол толщины кояуха аппарата, А - толщина кожуха аппарата, мм. С помощью ЭЕМ были рассчитаны значения и построены таблицы, связывающие кривизну различных участков поверхности и корневой угол толщин кож/ха аппарата.

В целом необходимо отметить, что вследствие усложнения системы, число конструктивных параметров, которые необходимо определить, при разделении газожидкостных сред значительно больше, чем в газовых аппаратах. Разработанные ВЗУ внедрены на ряде промышленных предприятий в системе очистки азотоводородной смеси от диоксида углерода в агрегате синтеза аммиака раствором МЭА.

Полученные экспериментальные зависимости создают основу расчета ВЗУ заданой производительности для дегазации газонасыщенных растворов в различных процессах абсорбции с последующей регенерацией хемосорбента: ректификации, экстракции, деаэрации и др.

Раздел 2. Вихревые аппараты глубокой очистки газонасыщенных жидкостей.

Анализ тепловых явлений в газовой и жидкой фазе привел к заключению, что основным процессом в этих аппаратах является межфазный теплообмен. Принцип работы аппарата основывается на максимальном использовании развитой гидродинамической кавитации и увеличении скорости массоообмена закрученного потока. На рис. 4 приведена схема установки для извлечения растворенных газов из жидкости, включающая ВЗУ..

Были:разработаны два варианта конструкции ВЗУ: в обоих вариантах завихрение: потока газонасыщенной жидкости производилось одновременного' его.- сужением и расширением. В первом варианте конструкции зона*ожяенкя1. Павле*большую длину по сравнению со вторым вариантом, но. зэпеивледнем>'.случае конструкция была дополнена трубкой, обеспечивающей! подачу?' в - нижнюю часть корпуса аппарата пара или нагретого шврргногоз газапротивотоком.

Потов;жидкости.содержащей газ, через теплообменники 3 и 2 вдаются-»под;давлением в сужающую часть ВЗУ, где скорость вращающегося'вихревого потока жидкости возрастает, достигая критической величины, давление в расширяющемся объеме падает ниже давления, равного суше парциальных давлений насыщенных паров жидкости и растворенных в ней газов. По давлению ограничением является вскипание воды. Для предотвращения интенсивного уноса водяных паров с газом снижают давление в процессе. Расширение смеси в вихревой трубе не должно опережать изменения температуры раствора, что обеспечивалось специальной организацией процесса дросселирования.

Скорость врацещш жидкости возрастает по направлению к оси конического корпуса за счет, сохранения момента количества движения, а давление падает. При этом происходит механический разрыв жидкости. В образовавшуюся каверну вццсляется свободный и растворенный в жид-

п

кости газ, пары самой ждидасти образуют пену. Поэтому каверна растет и возникает газовый шнур. Стабилизация поверхности газового шнура обеппечивается паром или нагретым инертным газом.

Дегазированная жидкость выводится через теплообменник - рекуператор 2, отдавая полученное тепло поступающей на дегазацию жидкости. Газовый поток выводится через теплообменник-рекуператор 3, отдавая полученное тепло поступающей на дегазацию жидкости.

Разработанные конструкции обеспечивают возможность 100-процентной дегазации газосодержаией жидкости при минимальных потерях самой жидкости и снижают энергозатраты.

Аппараты этой конструкции были применены для процесса глубокой дегазации ковденсата при давлении 0,5 МПа, содержащего оксид и диоксид углерода, метан, водород, азот, ыетанол в крупнотоннажном агрегате производства метанола АМ-750 импортной поставки английской фирмы Дэви-Маки.

Раздел 3. Высокопроизводительный вихревой аппарат оптимальной конструкции для дегазации газонасыщенных жидкостей.

На основе анализа результатов экспериментальных и промышленных испытаний вихревых аппаратов был создан аппарат существенно отличной конструкции, реализующей соосное направление завихрения потоков под различными углами. Продольный, поперечный разрезы и развертка винтовой поверхности аппарата приведены на рис. 5а, б, в. Вихревая труба содержит патрубок 2 ввода газожидкостной смеси, завихритель 3 с винтовой поверхностью 4, трубу 5 для отвода холодного потока газа и дроссель 6 на выходе горячего потока. Конструкция аппарата сварная. Противоположное направление закрутки винтовой поверхности соосных цилиндров увеличивало трение между слоями и, следовательно, интенсивность разделения потоков.Завихритель выполнен

ГАЗ

Рис. 4. Схема установки для

извлечения растворенных газов из жидкостей

Рис. 5 а, б, в, г

Вихревой аппарат для газожидкостных ссед с большой производительностью по ЖИДКОМУ потоку

в виде концентрических цилиндров, на боковой поверхности которых расположены четыре яруса лопаток, образующих между цилиндрами винтовые каналы.

Для сравнения, на рис. 5 г штрихпунктирной линией нанесен профиль изменения окружной скорости в обычной вихревой трубе. При расчетах аппарата оптимизировались геометрические соотношения основного элемента трубы и конструкции вихревой камеры.

Инженерные расчеты аппарата включали оценку прочности отдельных узлов. Усилия, передаваемые на корпус аппарата примыкающими тру-борповодами, прочность средней цилиндрической части корпуса рассчитывались на ЭВМ по программе ПРГ5 (ГИАП), а тройного соединения корпуса энергоразделителя - по программе I ПСЕ11Р (Гидропроект им. С.Н.%ка). Расчет прочности лопаток и сварных соединений в узлах их крепления показал необходимость изготовления завихрителя. из стали 08Х18Н10Т с пределом текучести (Гт = 21000 кгс/см^.Для обеспечения узла стопорения завихрителя от действия сил кольцевого направления, вызываемых воздействием потока на лопатки, достаточно двух штырей 0 10 мм из стали 20, установленных на окружности с радиусом 100165 мм. Несущая способность штыря, работающего на срез (Т), должна быть > 190 кгс.

Большой наклон винтовой поверхности к образующей цилиндра (от винта) в направлении от периферии к центру трубы увеличивает степень разделения потока. Конструкция позволила интенсифицировать процесс разделения жидкости и газа при сокращении длины рабочего участка вихревой труби.

Вихревая труба работает следующим образом. Исходный двухфазный поток подают через патрубок 2 в завихритель, где он проходит по спиральным каналам, образованным мезцду концентрическими цилиндрами винтовой поверхностью, в результате чего поток приходит в интенсивное вращательное движение. Попадая затем в полость трубы I, двухфазный

го

поток под действием центробежных сил разделяется на жидкость и газ, причем жидкость располагается ло периферии, а газ - вблизи оси. При этой газ охлаздается и отводится через трубу 5, а жидкость - через дроссель 6. Понижение температуры жидкости на каждые 10° снижает парциальное давление С0<> в 1,5 раза. Растворимость водорода в основном зависит от давления и при снижении давления от 2 до 0,8 Ша уменьшается в 3,5 раза. Однако охлавдение раствора возможно только до 30°, т.к. при более низких температурах выпадает твердая фаза.

Опытно-промышленный образец вихревой трубы был установлен в отделении поташной очистки азотовсдородной смеси от диоксцца углерода и частичной регенерации абсорбентов аммиачного производства ЗМУ ПО "Пермнефтеоргсинтеэ" (крупнотоннажный агрегат производства аммиака японской фирмы ТЕС).

Испытание аппарата оптимальной конструкции в промышленности проводилось на газонасшенном растворе (30% вес. К^СОд), содержащем до 3-4 % диэтаноламина, 0,5-0,6 % Х/^О^ и противопенцую присадку. Использование.коксчрукции.в промышленных условиях позволило повысить производительность с 50 до 1800 тонн.

Раздел 4. Результаты внедрения разработанных аппаратов в промышленность . .. " -

Сравним характеристики работы системы очистки азотовсдородной смеси"крупнотоннажного агрегата производства аммиака (агрегат № 6 ПО "Тольяттиазот", проект АМ-76 ПШ) по схеме без ВЗУ и с ВЗУ для селективного вьщеления примесей малорастворимых горючих газов из насыщенного раствора хемосорбента (МЭА). Использование ВЗУ позволило вместо сброса в атмосферу до 10 % Н^ рекуперировать газ с содержанием до 64 % Н^, снизить содержание ^ в товарном

в 50 раз, увеличить на 25 % количество товарного СО^, снизить энергозатраты на 30 % к повысить мощность узла на 10 %,_ см. табл.4.

Таблица 4

Характеристики работы системы очистки азотоводородной смеси агрегата синтеза аммиака с помощью : раствора МЭА

Показатель

Схема без Схема с ВЗУ ВЗУ

Содержание водорода в д©сорбированной фракции диоксща углерода, % об.,

Содержание водорода в товарном диоксиде углерода, Ъ об.

Количество диоксида углерода, тые.ны3/ч, сбрасываемого в атмосферу

Количество товарного диоксида углерода, тыс.нм'уч

Эне^годат^аты на регенерацию раствора,

Мощность узла очистки технологического газа, в процентах нагрузки по гаду

до 10 до 64

0,5 0,01

8,950: 2,0

37,7 44,65

763-1032 680-980

100 НО

Результаты, полученные при замене отпарной колонны высотой 18 м тремя вихревыми аппаратами глубокой очистки технического конденсата высотой 0,6 м на агрегате крупнотоннажного производства метанола (табл. 5).показали возможность снижения давления щд кости, при работе в 3 раза сократить расход пара, улучшить степень регенерации на 5-8 %. '

Таблица 5

Сравнительная характеристика работы отпарной колонны и вихревых аппаратов при дегазации

Показатель

Отпарная колонна

Три вихревых аппарата

1. Расход жидкости, т/ч

2. Давление на входе, МПа

3. Расход пара на одку тонну дегазируемой жидкости ,

т.пара/т.жидкое ти

4. Степень регенрации от газов,

140 2,8

0,15 91...95

140 0,7

0,05 98...100

. гг

Экономический эффект только эа счет уменьшения расхода пара на агрегате составил 103 тыс.руб./год, без учета снижения металлоемкости аппаратов (1000 раз).

В табл. 6 приведено сопоставление содержания в жидкости при поташной очистке азотоводородной смеси от СО2 на производстве аммиака ПО "Пермнефтеоргсингез" по схеме без ВЗУ и с ВЗУ высокой производительности.

Таблица 6

■ Сопоставление содержания водорода

производительность по ! Содетаание Н., в жидкости. % об.

жидкости, ! газу | Нм7ч ! Схема без БЗУ *" ! I Схема с ! вау

1800 1780 1750 1680 1650 900-3000 850-2700 950-3100 880-2900 '' 850-2500 . 22,2 19,61 17,8 17,3 18,3 0,91 0,75 0,56 0,82 0,67

Представленные данные свидетельствуют о том, что включение ВЗУ с производительностью 188-1650 ы3/ч жидкости в схему очистки обеспечивает снижение содержания малорастворимых газовых примесей в хемо-сорбенте в 20-30 раз.

В целом внедрение в промышленность разработанных вихревых аппаратов для газожидкостных систем с высоким содержанием жидкости показывает перспективность их широкого использования в различных процессах дегазации жидкости.

ВЫВОДЫ

I. На основе рассмотрения особенностей физической модели системы жцдкость-газ определены основные принципы конструирования вих-

ревых аппаратов для вццеления газов из газонасыщенных жидких хемо-сорбентов, обеспечивающие селективное ввделение примесей малораство--римых газов, глубокую очистку и высокую производительность.

2. Для селективного вццеления малорастворимых газов из газо-жвдкостной среды модифицирована конструкция диафрагменной вихревой камеры с тангенциальным вводом газа и сконструированы опытно-промш-ленные устройства.

Показано наличие адиабатного кипения в сопле вихревого устройства, поскольку наблюдаемые концентрации водорода, метана, оксида углерода в растворе ниже соответствующих равновесных значений.

3. При варьировании отношения площади цилиндрических отверстий к площади энергоразделителя, геометрических параметров энергоразделителя, длины вихревой камеры и угла конусности были получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать оптимальные.конструктивные параметры вихревых закручивающих устройств для заданного селективного ввделения примесей малорастворимых газов из хемо-сорбента и требуемых температур.

4. Проведено экспериментальное исследование на разработанном аппарате в промышленных условиях на примере дегазации хемосорбента -водного раствора моноэтаноламина (МЭА), используемого на узле очист-киазотоводородной смеси от СО^, показана возможность селективного ввделения малорастворимых горючих газов и снижение энергозатрат на 320 ккал на I кг СОд, разность температур потоков увеличивалась от

20 (при обычном дросселировании) до 100 Чз.

5. Сконструированы вихревые аппараты глубокой очистки газонасыщенных жидкостей, в которых завихрение потока производилось одно-

• временно с сужением и расширением, один из вариантов ВЗУ включал

осевую подачу пара. Аппараты обеспечивают возможность 100-процентной . дегазации газосодержащей жидкости при низких давления 0,5 МПа V

ZH

6. Внедрение трех вихревых устройств глубокой очистки (высота 0,6 м) с подачей противотоком хемосорбенту по оси пара или нагретого инертного газа позволило исключить из технологической схемы производства метанола отпарную колонну высотой 18 м и при этом сократить потребление пара с 12,4 до 2,5 т/ч.

7. Разработана принципиально новая конструкция комбинированной вихревой трубы высокой производительности, где завихритель выполнен в вцде концентрических цилиндров, имеющих боковую поверхность, образующую между цилиндрами спиральные винтовые каналы, причем винтовая поверхность соосных цилиндров имеет противоположное направление закрутки.

Использование конструкции в промышленных условиях позволило повысить производительность по жидкому потоку с 50 до 1800 т/ч.

8. Выполненные исследования и внедренные аппараты позволили снизить энергозатраты только на примере аммиачного производства на 15 % и получить суммарный экономический эффект более.I млн.рублей.

9. Результаты работы показывают целесообразность широкого использования разработанных вихревых аппаратов, позволяющих повысить селективность ввделения газов из жщкостей, обеспечить глубокую очистку и высокую производительностьj снизить энергозатраты и металлоемкость. Подученные данные свидетельствуют о перспективности их использования в процессах ректификации, абсорбции, с последующей регенерацией, экстракции, дегазации, декарбонизации и деаэрации.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

I. A.c. I4Q984I СССР, МКИ3 Г 28 Д 7/16. Вихревой вертикальный коиухотрубный теплообменник (Малышев А.И. и др.- 4167275/24-06; Заявлено 24.12.86; Опубл. 15.07.88. Бюл. № 26 - 4 с: ил.

zs-

2. A.c. I48793I СССР, МКИ3 В Ol 19/00. Вихревой газожидкостной сепаратор (Артамонов H.A., Малышев А.И. и др. - 4240900/31-26; Заявлено 21.05.87; Опубл. 23.06.89. Бюл. № 23 - 7 е., ил.

3. A.c. I7I3I59 СССР, МКИ3 В 01 Д 19/00. Вихревой газожвдкостноР сепаратор (Артамонов H.A., Малышев А.И. и др. - 4312844/31-26; Заявлено 05.10.87; Опубл. 05.03.91. Бол. № 6.

4. A.c. 1693327 СССР, МКИ3 В 01 Д 19/00. Вихревая труба Малышев А.И. - 46604I7/H3-06; Заявл. U3.10.89; Оцубл. 23.11/91 Бюл. Р 43.

5. Малышев А.И., 1{узнецов В.А., Абызгильдин Ю.М., Баланич В.Г. Малышева H.A. Разработка и исследование конструкций вихревого сепарирующего устройства // Проблемы и перспективы развития ПО "Томский нефтехимический комбинат: Теэ.докл. 5-го отраслевог совещания Томск, 1991.- С. I2I-I22.

6. Бондарева Т.И., Завелев И.Г., Малышев А.И., Лукин J1.A. Исследование ввделения легколетучих компонентов из растворов в вихревом аппарате // Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем: Тез. докл. 3-й Всесоюз.конф.- Тамбов, 1991.-

С. 22-23.